中车研制出高强度3D打印铝合金材料，突破空客技术壁垒

作为金属3D打印的重要材料之一，3D打印铝合金由于密度轻、弹性好、比刚度和比强度高等一系列优良特性，一直被认为是“朝阳材料”。它在军工、航空航天、汽车制造等领域已被广泛应用且具有很好的发展前景，与3D打印的结合更是使其迸发出新的活力。然而相比钛合金、铁基、镍基合金，铝合金的3D打印研究和应用在近十年来才获得较快的发展，其主要原因还在于材料本身的局限性。传统为锻造工艺设计的6系和7系高强铝合金均无法用于3D打印，主流3D打印用铝合金的拉伸强度一般也不会超过500MPa，屈服强度不超过300Mpa，难以达到锻造高强铝合金的水平。

目前，性能最好的高强铝合金之一Scalmalloy®，其拉伸强度（UTS 520 MPa）、屈服强度（480 MPa）和延展性（延伸率13%）均表现出色，且具有耐腐蚀、微观结构稳定的特点，是空客公司专为增材制造而开发的材料，具有严格的专利保护，且不对国内出售。

突破空客专利限制的新型3D打印铝合金

瞄准该技术空白及其巨大的应用前景，中车工业研究院通过大量成分设计和实验验证，设计研发了一种新型3D打印专用高强铝合金粉末材料，并开发了相关3D打印工艺和热处理技术。

该高强铝合金粉末材料经批量生产以及多轮SLM技术验证，拉伸强度稳定超过560MPa，屈服强度超过500MPa，延伸率超10%，显著优于空客公司Scalmalloy®铝合金粉末的打印性能以及其他7系锻造高强铝合金。同时，由于不同于空客公司Scalmalloy®的强化机制，该打印材料在215℃高温条件下的强度超过260MPa，延伸率超过10%，几乎比空客Scalmalloy®的高温性能整整提高了一倍。

打印件常温力学性能

打印件215℃下的高温性能

此外，该材料还具备优良的耐腐蚀性能，可满足国内轨道交通装备和航空航天等高端制造零部件3D打印的需求，具有广泛的应用前景和市场价值。

Scalmalloy®打印件的常温和高温力学性能（空客APWORKS官方网站）

最关键的是，新开发的高强铝合金及相关打印技术均突破了空客公司Scalmalloy®高强铝合金的专利限制，具有自主知识产权。粉末中Mg、Si等主要元素比例范围均在空客专利范围之外，并添加了适量的其他微量元素。同时，基于成本因素考虑，Sc、Zr含量也进行了优化。目前，该材料及其打印工艺已申请专利4项，已获授权2项。

针对3D打印过程中存在的热应力变形以及高强度的使用要求，研究人员对材料进行了冷热裂纹抑制设计和多重强化机制设计。其中强化机制包括了固溶强化、晶界强化、纳米相强化以及高密度堆垛层错强化，材料在打印过程中不会出现微裂纹，打印件具有非常细密的等轴晶组织。同时，由于良好的强塑性匹配，打印大尺寸零件也不会发生应力开裂，能够很好的应用于较大型铝合金零部件的SLM成型。

该高强铝合金粉末打印件的微观组织结构

该高强铝合金粉末打印的粗大实体

在粉末状态方面，通过与外部粉末加工单位合作，该材料批量生产后球形度达到0.88，空心粉率控制在3%以内，氧含量控制在300ppm以下；同时铝合金的流动性难题也有突破，粉体的霍尔流速提升至100s以内，非常适合于激光粉末床打印，具有优秀的工艺适应性。

高强铝合金粉末形貌和截面图

高强铝合金粉末流动性测试

新型高强铝合金粉末材料及相关打印工艺技术由中车工业研究院主导研发，目前已稳定生产并已应用于中车轨道交通轻量化零部件的试制，取得了极佳的减重和性能强化效果。包括拓扑优化结构的抗蛇形减震器座、抗侧滚扭杆座、轴箱体以及加强散热设计的散热器板等，均取得了极佳的减重和性能强化效果。其中抗蛇形减震器座相比传统加工件减重72%。

采用新型高强铝合金粉末材料打印的轻量化轨道交通装备零部件样件

材料——增材制造产业链的关键一环

材料在使3D打印成为真正的生产技术中起着关键作用。根据捷普的一项调查，41%的受访用户认为，引入更好的材料将对鼓励大规模采用3D打印进行生产产生最大影响。而对铝合金而言，长时间以来业内成熟商业化的材料多为力学强度不高的Al-Si系合金，极大限制了来自航空航天以及汽车领域用户对高强度的使用要求。

实际上，铝合金有着极大的使用潜力。根据SmarTech的介绍，铝合金占金属3D打印中所有金属粉末的消耗量（按体积计算）将从2014年的5.1%逐渐提高到2026年的11.7%左右。铝合金正在追赶上钛、镍和钢等材料，成为支持增材制造下一代发展的重要机遇。

中车工业研究院3D打印用高强铝合金粉末产品

在此背景下，增材制造产业链的上游企业正在积极响应这种需求，一系列高强铝合金频繁上市。包括中车工业研究院等单位设计研发的新型高强铝合金正在成为打破国际垄断、迅速国产化的关键，相关产品将极大影响我国3D打印技术在关键领域的应用深度和广度。

目前，由中车工业研究院设计开发的新型高强铝合金已批量生产，并获得包括中国航发在内的部分航空航天企业的试用，相关应用也正在推广。如对该材料或打印样件有需求，可联系中车研究院祝弘滨博士，电话13811868917（微信同号）。

关于中车工业研究院

中车工业研究院有限公司，简称中车研究院，是中国中车集团面向科技创新的直属特设机构。是中国中车前瞻性、基础性、共性技术及行业核心技术的研发牵头单位，以及技术成果的转移与转化组织单位；是“探索一代、预研一代”关键技术研究的主责单位，为中国中车实现“双打造一培育”提供强力支撑。

中车研究院是中车金属增材制造技术的主导研发单位和研究规划的制定单位，增材制造技术团队由4名博士和多名硕士组成，目前面向中车技术需求已开展多项技术研究。